《数据可视化技术》课件-第2章 可视化的图形基础

第2章可视化的图形基础学习目标了解数据可视化的计算机图形学基础知识

为图像可视化特别是体数据可视化的进行必要的基础知识准备2025/2/192内容

2.1图形渲染

2.2颜色与光照

2.3视角

2.4透明度与色彩合成2025/2/1932.1.1概念计算机图形学是利用计算机生成图像的过程

绘制过程有多种类型，从2D绘制程序到复杂的3D技术。

渲染（Rendering，又称绘制）是将图形数据转换成图像的过程。

在数据可视化中，渲染的目标是将数据转换成图形数据或图形原语。2025/2/1942.1.2方式像序渲染与物序渲染光线跟踪方法是一个典型的像序渲染过程，它通过确定每一条光线的传播路径最终绘制出物体的形态。相比较而言，物序渲染更加符合人类的思考方式和工作习惯。2025/2/1952.1.2方式表面绘制与体绘制不描述物体的内部，或者仅从表面表示（即物体的边界）隐式地表示出物体形态的方法即为表面绘制。体绘制技术使我们能够看到物体内部的不均匀性，能够反映物体内部的性质。2025/2/196应用示例可视化工具箱是Kitware公司出品的科学计算可视化软件库，具体包括VTK、Mayavi、TVTK等几个组成部分。工具箱的安装时，可以在命令提示符下利用以下命令进行安装： pipinstallPyQt5VTKmayavi2025/2/197应用示例绘制高度图采用Mayavi中的mlab图形库所提供的表面绘制功能，即可完成高度图的绘制2025/2/198应用示例

2025/2/199importnumpyasnpimportmayavi.mlabasmlabdeff(x,y): returnnp.exp(-1*(x**2+y**2))x,y=np.mgrid[-2:2:0.05,-2:2:0.05]mlab.surf(x,y,f)mlab.show()内容

2.1图形渲染

2.2颜色与光照

2.3视角

2.4透明度与色彩合成2025/2/19102.2.1颜色2025/2/1911

RGB系统通过红色、绿色和蓝色的强度进行颜色编码，而HSV系统基于颜色、饱和度和值来表示颜色。色调代表颜色的主要波长，使用从0到1的范围，其中0对应于色调圆上的零度，1对应于360度。

饱和度表明色调有多少混合到颜色中。2.2.1颜色2025/2/1912

表2-2-1RGB与HSV颜色对照表2.2.1颜色2025/2/1913

(a）color=(0.5,0.5,1)(b)colormap='cool'2.2.1光照2025/2/1914

Phong光照模型采用一种简单的方式处理光照模型，只考虑物体对直接光照的反射作用，认为环境光是常量，没有考虑物体之间相互的反射光，物体间的反射光只用环境光表示。2.2.1光照2025/2/1915

Phong光照模型采用纯几何的方式建立光线照射物体的传播线路内容

2.1图形渲染

2.2颜色与光照

2.3视角

2.4透明度与色彩合成2025/2/19162.3.1虚拟相机2025/2/1917场景由其中的演员（actor，或一般性地称为物体）及其所在的背景、光照条件等构成。

需要实现一个虚拟相机，通过相机方位、相机方向和焦点位置等数据来确定3D场景如何被投影到平面上以形成2D图像2.3.1虚拟相机2025/2/1918两种类型的虚拟相机控制方法围绕聚焦点的相机移动上拉、下拉（elevation）方位角向左或右调整（azimuth）顺时针或逆时针旋转（roll）2.3.1虚拟相机2025/2/1919两种类型的虚拟相机控制方法以相机位置为中心的焦点移动相机位置固定，调节焦点的位置可以采取抬升、下降（pitch）左右偏移变换（yaw）或旋转（roll）操作2.3.1虚拟相机程序2-3-1虚拟相机方位角的调节2025/2/19202.3.1虚拟相机程序2-3-1虚拟相机方位角的调节2025/2/19212.3.2坐标系四种坐标系变换示意图2025/2/19222.3.3坐标变换平移变换2025/2/19232.3.3坐标变换缩放变换2025/2/19242.3.3坐标变换围绕坐标轴的旋转变换2025/2/1925绕X轴旋转2.3.3坐标变换围绕坐标轴的旋转变换2025/2/1926绕Y轴旋转绕Z轴旋转2.3.3坐标变换坐标系旋转2025/2/1927内容

2.1图形渲染

2.2颜色与光照

2.3视角

2.4透明度与色彩合成2025/2/1928透明度与不透明性在计算机图形学中，透明度与不透明性一般用（alpha）量值进行表示。例如，不透明性为60%的多边形，其值为0.6。当为1时，代表完全不透明，为0时，则代表完全透明的物体。一般情况下，只需要指定物体的alpha值，即透明度均匀分布。也可以在RGB颜色规则中添加分量，形成RGBA规范。2025/2/1929透明度与不透明性

2025/2/1930图2-4-1透射光线色彩合成过程程序2-4-1虚拟相机方位角的调节